Gêmeos digitais ferroviários: o futuro da gestão ferroviária

A tecnologia dos gêmeos digitais também está revolucionando o setor ferroviário, oferecendo novas soluções para o design, construção e manutenção de infraestruturas. No entanto, esses modelos virtuais avançados não poderiam expressar todo o seu potencial sem a adoção de padrões internacionais, como o formato IFC (Industry Foundation Classes), que garante a interoperabilidade e a consistência dos dados entre as diferentes fases do ciclo de vida da infraestrutura. Em particular, o desenvolvimento de extensões como o IFC Rail atende às necessidades específicas do setor ferroviário, garantindo uma gestão de dados mais eficiente e escalável.

Este artigo explora as aplicações dos gêmeos digitais para ferrovias, com foco especial em seu impacto na eficiência operacional, segurança e otimização da manutenção ao longo de todo o ciclo de vida.

Se você é um engenheiro, arquiteto, topógrafo ou um técnico do setor da construção interessado nas tecnologias GIS e BIM, este guia lhe fornecerá uma visão completa sobre o assunto e sugerirá as ferramentas de software de gêmeo digital a serem utilizadas para acompanhar a inovação.

O que é um gêmeo digital ferroviário?

Um gêmeo digital é um modelo virtual 3D que reproduz fielmente e de forma realista um modelo existente. Qual é o seu propósito? Ele é criado com o objetivo de gerenciar todo o ciclo de vida do bem desde seu projeto, quando ainda não está realizado, até sua demolição ao final de seu ciclo vital.

O conceito de gêmeo digital ferroviário refere-se a uma réplica virtual de uma infraestrutura ferroviária ou de um ativo relacionado a ela. Esta representação virtual se atualiza em tempo real com os dados provenientes da infraestrutura física, permitindo um monitoramento contínuo e simulações avançadas. O uso combinado de tecnologias GIS e BIM permite uma gestão holística das infraestruturas, facilitando o planejamento e a manutenção de todo o sistema ferroviário, mesmo quando se trata de infraestruturas lineares muito extensas no espaço.

Navegação do modelo gêmeo digital ferroviário

Vantagens dos gêmeos digitais ferroviários

Agora que estabelecemos do que se trata, vamos ver quais são as vantagens relacionadas à sua implementação no mundo das infraestruturas ferroviárias.

• Otimização da manutenção
  Um dos principais benefícios da utilização dos gêmeos digitais no setor ferroviário é a possibilidade de monitorar constantemente as condições dos ativos. Isso permite a manutenção preventiva, reduzindo os custos operacionais e prevenindo falhas inesperadas, diminuindo significativamente as despesas desnecessárias​.
• Melhoria do projeto
  Graças aos modelos 3D e às simulações, os gêmeos digitais oferecem a possibilidade de visualizar e testar um projeto antes de sua realização física. Durante a fase de projeto e construção, os gêmeos digitais são essenciais para simular diferentes cenários e avaliar o impacto das decisões de projeto. Essa abordagem não apenas reduz os custos, mas permite resolver eventuais problemas antes do início das obras. Um caso de sucesso é o projeto de renovação da sinalização ferroviária de Bristol, onde o uso de um modelo digital permitiu reduzir significativamente os prazos de projeto.
• Eficiência operacional
  A integração de dados em tempo real de diferentes fontes permite uma gestão mais eficiente dos recursos e das operações ferroviárias. Os gêmeos digitais fornecem uma visão completa das atividades, melhorando a coordenação entre os diferentes departamentos operacionais​.
• Segurança aprimorada
  Monitorar constantemente a infraestrutura por meio de gêmeos digitais permite identificar e enfrentar potenciais riscos em tempo real. Por exemplo, o uso de uma tecnologia de gêmeo digital pode prever a inserção no modelo de objetos detectados ao longo dos trilhos que poderiam interferir na passagem dos trens, melhorando assim a segurança​. Além disso, a realização do modelo 3D da infraestrutura permite realizar programas de treinamento dos operadores (manutenção, técnicos, construtores, etc.) diretamente em 3D, integrando o uso da tecnologia VR. Isso representa um cenário importante tanto para a segurança dos trabalhadores durante as obras quanto para a segurança da infraestrutura em caso de eventos imprevistos. Para aprofundar esse tema, leia também Treinamento com realidade virtual: conhecer e gerenciar os riscos do canteiro através da VRI.
• Monitoramento e simulações operacionais
  Os gêmeos digitais são utilizados para monitorar em tempo real as condições dos trens e dos veículos utilizados para o transporte sobre trilhos e otimizar sua gestão. Isso permite reagir prontamente a eventuais problemas e garantir que as operações diárias sejam realizadas sem contratempos. O uso de gêmeos digitais para simular diferentes cenários operacionais é um recurso valioso para o treinamento do pessoal e para a experimentação de novos cenários. Por exemplo, a integração com sistemas de inteligência artificial pode ser direcionada à simulação de cenários para a condução automatizada​.

BIM, GIS e IFC: a chave para gerenciar infraestruturas ferroviárias complexas.

A infraestrutura ferroviária é, por sua consistência, muito extensa no espaço. Portanto, nos deparamos com modelos de grandes dimensões cuja gestão está estritamente relacionada ao contexto ambiental em que a infraestrutura se insere.

Por essa razão, a gestão do modelo BIM de uma ferrovia está necessariamente ligada também ao GIS.

No entanto, para garantir que essas integrações sejam interoperáveis e escaláveis, é essencial fazer referência a padrões internacionais, como o formato IFC (Industry Foundation Classes), que permite modelar e compartilhar dados complexos dentro do framework openBIM.

Entre os desenvolvimentos mais significativos do formato IFC, o IFC Rail representa uma subcategoria específica que foca nas necessidades únicas do setor ferroviário. Graças a essa extensão, é possível descrever detalhadamente elementos fundamentais das infraestruturas ferroviárias, como trilhos, desvios, travessas e outros componentes estruturais, melhorando a consistência e a qualidade das informações compartilhadas.

IfcRailDomain: o padrão que transforma o design ferroviário

Um aspecto crucial do IFC Rail é o esquema IfcRailDomain, desenvolvido para abordar as especificidades do setor ferroviário que não são cobertas pelos esquemas gerais do IFC. Esse esquema permite uma descrição detalhada e padronizada dos componentes principais, promovendo uma melhor gestão do ciclo de vida das infraestruturas ferroviárias.

Aqui estão os principais pontos fortes do IfcRailDomain:

• Elementos especializados para os trilhos: define componentes como travessas, desviadores e pontos de cruzamento, garantindo uma representação precisa das infraestruturas ferroviárias.
• Classificação dos trilhos: oferece suporte para identificação e modelagem de diferentes tipos de trilhos, garantindo uma condução precisa para veículos e máquinas.
• Estruturas espaciais para projetos ferroviários: organiza os modelos ferroviários em hierarquias espaciais, simplificando a gestão de projetos complexos.

A adoção do IfcRailDomain permite que os profissionais do setor ferroviário integrem modelos digitais avançados com sistemas de monitoramento em tempo real, melhorando o design, a manutenção e a operação. Esse esquema representa uma ferramenta essencial para a integração das tecnologias BIM, GIS e digital twin no contexto das ferrovias modernas.

Um caso de aplicação de integração GIS e BIM para os gêmeos digitais ferroviários

Mas como se realiza praticamente a integração entre BIM, GIS e gêmeo digital em um cenário relacionado a uma infraestrutura ferroviária?

É necessário o uso de software de gêmeo digital apropriado.

Para aprofundar, aqui está um vídeo que demonstra de forma clara e detalhada como as tecnologias GIS, BIM e gêmeo digital podem ser integradas para obter uma gestão avançada das infraestruturas ferroviárias. A solução proposta permite criar uma visão geoespacial completa e detalhada, graças à federação entre uma nuvem de pontos, gerada por levantamentos a laser, e o modelo BIM da ferrovia existente modelado a partir da nuvem de pontos. O modelo BIM conterá, além das informações geométricas, uma série de propriedades e informações inseridas pelo usuário conforme as necessidades do caso e consultáveis diretamente no ambiente da plataforma.

O uso dessa plataforma permite, de fato, visualizar em um único ambiente digital todas as informações dos objetos openBIM, atualizadas em tempo real graças ao uso do Common Data Environment (CDE).

Entre as principais vantagens da solução está a possibilidade de ter fotos, documentos e dados associados diretamente integrados à nuvem de pontos e ao modelo BIM, tornando facilmente acessíveis todas as informações relevantes para a gestão da infraestrutura. Além disso, os usuários podem monitorar a rede ferroviária diretamente de um navegador, sem a necessidade de softwares complexos, melhorando a rapidez e a eficiência no controle e na manutenção.

Um ponto adicional forte é a integração da realidade virtual imersiva (VRI), que permite viver uma experiência completamente realista da ferrovia. Os usuários podem navegar pelo modelo 3D, selecionar objetos para consultar as propriedades e os dados associados, e até mesmo simular a condução de um trem, com uma visão realista do trajeto e das infraestruturas. Essa combinação entre BIM, GIS e VRI fornece uma poderosa ferramenta para otimizar o projeto, a gestão e a manutenção das ferrovias, reduzindo prazos e custos operacionais.

No vídeo são ilustradas as principais funcionalidades da solução:

• georreferenciamento da nuvem de pontos da ferrovia em um mapa GIS;
• federação entre a nuvem de pontos e o modelo BIM da ferrovia;
• navegação do modelo 3D da infraestrutura;
• visualização das informações detalhadas sobre os objetos do modelo;
• consulta das propriedades dos objetos e dos dados associados ao modelo 3D;
• navegação imersiva em realidade virtual do mapa GIS, do modelo BIM em formato IFC e da nuvem de pontos.

Essa solução representa uma inovação fundamental para melhorar a eficiência e a segurança da gestão ferroviária.